物理层

我们以一个非常简单的例子开始:

两服务器通讯问题

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两服务器通讯问题

如上图,有两台服务器,分别是 Server 1Server 2 。 我们先做一个假设:计算机网络现在还没有被发明出来, 作为计算机科学家的你,想在这两台服务器间传递数据,怎么办?

这时,你可能会想到,用一根电缆把两台服务器连接起来:

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通过电缆实现通讯

物理课大家都学过,电线可以分为 低电平高电平 。 电平可以高低变化,这样不就可以传递信息了么: Server 1 控制电缆电平的高低, Server 2 检测电平的高低,这样就实现了 Server 1Server 2 发送数据啦!

更进一步,可以将高低电平抽象成数学语言:我们用低电平表示 0 ,高电平表示 1 ,这样就得到一个理想化的信道:

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理想化信道

通过信道,双方可以传递一些 01 比特流。 例子中,我们传输的比特流是 1111010101... (从右往左看)。 比特流可以编码任意信息: 比如,我们用 1111 表示告诉对方本地开机了,用 0000 告诉对方本地准备关机了。

到目前为止,我们是不是万事具备了呢? 一个比特流信道成为现实?——理论上是这样子的。 但是,现实世界往往要比理想化的模型复杂一些。

发送控制

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信道无穷无尽

首先,如上图,信道是无穷无尽的。 因为,信道状态要么为 0 ,要么为 1 ,没有一种表示空闲的特殊状态。

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结尾在哪?

举个例子,如上图, Server 1Server 2 发送比特序列 101101001101 (从右往左读)。 最后一个比特是 1 ,对应的电平是高电平。 发送完毕后,由于没有没有其他地方改变电缆的电平,所以还是维持高电平状态。 也就是说,信道看起来还是按照既定节拍,源源不断地发送 1 (灰色部分), Server 2 怎么检测结尾在哪里?

我们可以定义一些特殊的比特序列,用于定义开头结尾: 101010 表示开头, 010101 表示结尾。

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引入控制比特

这时, Server 1 先发送 101010 (红色),告诉 Server 2 我要开始发数据了; 然后, Server 1 开始发送数据 1101011 (黑色部分); 最后, Server 1 发送 010101 (绿色),告诉 Server 2 数据发送完毕。 注意到,平时信道为 1 (灰色),也就是代表空闲状态。

冲突仲裁

如果两台服务器同时往信道里发送数据,会发生什么事情呢?

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发送冲突:两台服务器同时发送数据

肯定冲突了嘛!一台发 0 ,一台发 1 ,那你说信道到底是 0 还是 1 ? 那么,冲突要怎么解决呢?

解决方式也简单,只需在硬件层面实现一种机制:在检测到两台服务器同时发送数据时,及时喊停,并协商到底由哪一方先发。

总结

本节讨论了一个最简单的模型,解决两台服务器之间的通讯问题。 通过电缆,在两台机器间建立了一个理想的比特流传输信道。 这其实就是网络分层结构中最底层——物理层的作用:

  • 传输比特流
  • 依赖物理(电气)特性

这一层对开发人员来说,基本上是透明的,我们只需将其理解成一个比特流传输信道即可。 至于细节问题,高低电平啦,信号啦,各种物理特性啦,通通留给电子工程师去关心好啦!

进度

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新技能Get✔️

下一步

下一节,我们将通过 多服务器通讯问题 进入 数据链路层 的学习。

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